Impulsgenerator zur funkenerosiven Metallbearbeitung

Abstract

 Der Impulsgenerator zur funkenerosiven Metallbearbeitung enthält eine Ladereglerschaltung (5-8) für die Aufladung eines Speicherkondensators (2), die nur ungesteuerte Bauelemente verwendet. Der Speicherkondensator (2) wird über ein Schaltelement (3) sinusförmig auf eine Funken­stecke (11) entladen, wobei die nachfolgende Aufladung unabhängig von vorhergehenden Impulsen stets definiert erfolgt, womit gleichmäßige Impulse erzeugt werden kön­nen. Der Speicherkondensator (2) wird mit Energieüber­schuß aufgeladen, wobei die nach der Funkenentladung noch verbleibende Energie in die Gleichspannungsquelle (1) rekuperiert wird. Das Schaltelement (3) wird erst dann gesperrt, wenn der Entladestrom im wesentlichen abgeklungen ist. Dieser Impulsgenerator ist besonders für die Erzeugung von Hochenergieimpulsen für das Draht­schneiden und das funkenerosive Bohren geeignet. Die Schaltung hat einen hohen Wirkungsgrad, ist einfach auf­gebaut und hat nur ein kleines räumliches Volumen. Durch die Anwendung von Hochenergieimpulsen können Kurz­schlüsse beim Erosionsprozeß vermieden werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Impulsgenerator zur funkenerosiven Metallbearbeitung gemäß dem Ober­begriff des Patentanspruches 1 (vgl. DE-PS 24 41 734).

[0002] Die Tendenz in der Funkenerosionstechnik geht zu immer höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Entsprechend be­nötigt man Impulsgeneratoren, die hohe Energien mit hoher Wiederholfrequenz zur Funkenstrecke liefern können. Besonders auf dem Gebiet des funkenerosiven Drahtschneidens und Bohrens benötigt man Hochenergie­impulse mit definierter, sehr kurzer Impulszeit.

[0003] Aus der DE-PS 27 35 403 (= US-PS 4,163,887) ist bereits ein Impulsgenerator bekannt, der einen Impulsstrom bis 500 A im 1µs-Bereich liefert. Heutige Forderungen liegen bei Impulsströmen bis 1000 A bei etwa 2µs. Bei solch extremen Werten wird der genannte Generatortyp zu groß und ist auch aus Gründen seines schlechten Wirkungs­grades von typisch 10% zu unwirtschaftlich.

[0004] Aus der DE-PS 34 19 945 ist ein Generator mit einem Wirkungsgrad von besser als 60% bekannt. Da dieser Generator für alle funkenerosiven Bearbeitungsarten ausgelegt ist, wird er für die oben genannten Anwen­dungen technisch zu aufwendig. Auch müssen die dort verwendeten Schaltelemente den vollen Spitzenstrom ausschalten, was sich in unnötigen Schaltverlusten niederschlägt.

[0005] Die DE-PS 24 41 734 zeigt einen Impulsgenerator, bei dem mittels eines elektronisch gesteuerten Ladereglers ein Speicherkondensator linear aufgeladen wird und bei Erreichen der Ladespannung über ein Schaltelement und einen Trenntransformator in die Funkenstrecke entladen wird. Generatoren dieser Art sind technisch aufwendig und in der Steuerbarkeit begrenzt, da die Entladung dann ausgelöst werden muß, wenn der Speicherkondensator fertig geladen ist, was unter Umständen mit ungünstigen Verhältnissen in der Funkenstrecke zusammenfällt.

[0006] Ein weiterer Generator ist in der US-PS 3,485,987 be­schrieben. Dort wird der Ladestrom für einen Speicher­kondensator über einen Trenntransformator in den Erosionskreis eingekoppelt. Der Speicherkondensator wird dabei abwechselnd über ein erstes Schaltelement aufgeladen und über ein zweites Schaltelement entladen. Allerdings hat diese Anordnung den großen Nachteil, daß bei einem "Leerlaufimpuls", bei dem also die Funken­strecke nicht zündet, der Speicherkondensator nicht um­geladen wird, so daß die Schaltung dann erst für den übernächsten Impuls wieder funktionsfähig ist. Zudem ergeben sich über den Trenntransformator Rückwirkungen zwischen den beiden Schaltelementen, die nur durch großen Aufwand an Schutzbeschaltung zu beherrschen sind.

[0007] Es sind auch verschiedene andere Schwingkreis-Generator­schaltungen bekannt, die den Vorteil haben, daß die Schaltelemente stromlos oder nur bei geringem Strom kommutieren.

[0008] Ein wesentlicher Nachteil von Generatoren mit elektro­nisch gesteuerten Ladereglern liegt darin, daß sie hohen technischen Aufwand benötigen und teilweise sogar eine Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades mit sich bringen. Schwingkreisgeneratoren ohne gesteuerte Lade­regler haben den Nachteil schlecht kontrollierbarer Stromimpulse (über die Funkenstrecke), da der Lade­zustand des Speicherkondensators stark vom vorher­gehenden Impuls beeinflußt wird.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den gattungs­gemäßen Impulsgenerator dahingehend zu verbessern, daß Hochenergieimpulse bei gutem Wirkungsgrad erzeugt werden können. Hierzu soll der Ladezustand der Speicherkonden­satoren unabhängig von vorhergehenden Entladungen sein, wobei die Schaltung einfach aufgebaut, räumlich klein und betriebsicher sein soll.

[0010] Bei dem gattungsgemäßen Impulsgenerator wird diese Auf­gabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0011] Mit der Erfindung erreicht man die Vorteile, daß die Schaltelemente optimal ausgenutzt werden, da nur im stromlosen Zustand kommutiert wird. Da im Lade- und Entladekreis im wesentlichen nur sinusförmige Impulse fließen, erhält man bei gleichem Spitzenwert des Stromes einen um mehr als 27% heheren Energieinhalt als bei den sonst üblichen dreieckförmigen Impulsen. Zudem werden die Nachteile der bekannten Schaltungen ver­mieden. Insbesondere betrifft dies den Wirkungsgrad, die Definition des Ladezustandes des Speicherkonden­sators und die Komplexität und damit die Zuverlässig­keit und Baugröße der Schaltung.

[0012] Durch die Anwendung von Hochenergieimpulsen wird der Erosionsprozeß beim Drahtschneiden und beim funken­erosiven Bohren erheblich verbessert, da selbst metal­lische Kurzschlüsse zwischen Werkstück und Elektrode durch ohmsche Aufheizung aufgeschmolzen (bis zur Ver­dampfung von Teilen des Werkstücks und/ oder der Elek­trode) und in eine abtragswirksame Plasmaentladung überführt werden können. Dies ist aber aus Gründen des geringen spezifischen Widerstandes der Metalle erst ab Impulsströmen über etwa 500 A wirkungsvoll möglich.

[0013] Impulsgeneratoren nach der Erfindung sind besonders klein und leicht. Auf einer Doppeleuropa-Steckkarte läßt sich z.B. eine Schaltung mit einem Spitzenstrom von 150A bequem unterbringen, wobei in einem 19-Zoll-­Rack ein 900A-Generator realisiert werden kann. Dies ist im Vergleich zu den heutigen Generatoren eine Volumenverkleinerung um mindestens den Faktor 10.

[0014] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfin­dung im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfin­dung mit einem Sperrwandlertransformator in der Ladereglerschaltung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin­dung mit zwei Speicherkondensatoren und einer Induktivität in der Ladereglerschal­tung.

[0015] In Fig. 1 erkennt man sofort den einfachen Aufbau der Schaltung. Eine Gleichspannungsquelle 1 ist mit ihrem einen Pol (+) mit einem Speicherkondensator 2 verbunden. Parallel zu dem Speicherkondensator liegt ein Entlade­kreis bestehend aus einer Reihenschaltung aus einem Schaltelement 3, einer Rückschwingsperrdiode 4, einer Zuleitungsinduktivität 10 und einer Funkenstrecke 11. Mit G+ und G- sind die Ausgangsanschlüsse des Generators gekennzeichnet.

[0016] Der Ladekreis zur Aufladung des Speicherkondensators 2 enthält eine an den anderen Pol des Speicherkondensators 2 angeschlossene Umladediode 5 und eine dazu in Reihe ge­schaltete Primärwicklung 7a eines Sperrwandlertransforma­tors 7, wobei der andere Anschluß der Primärwicklung 7a mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 1 verbunden ist. Parallel zu der Gleichspannungsquelle 1 liegt eine Reihenschaltung aus einer Sekundärwicklung 7b des Sperr­wandlertransformators 7 und einer Rekuperationsdiode 6. Die beiden Wicklungen 7a und 7b des Sperrwandlertrans­formators 7 sind entsprechend den in Fig. 1 dargestell­ten Punkten gepolt.

[0017] Die Schaltung der Fig. 1 arbeitet wie folgt:
Beim Einschalten der Gleichspannungsquelle 1 wird der Speicherkondensator 2 über die Umladediode 5 und die Induktivität der Primärwicklung 7a auf ungefähr die doppelte Spannung der Gleichspannungsquelle aufgeladen. Die Rekuperationsdiode 6 wird bei diesem Vorgang nur leitend, wenn das Übersetzungsverhältnis (7a : 7b) des Sperrwandlertransformators 7 kleiner als 1 ist. Wird nun das Schaltelement 3 leitend geschaltet, so wird der Speicherkondensator über die Funkenstrecke 11, die Zu­leitungsinduktivität 10, die Rückschwingsperrdiode 4 und das Schaltelement 3 entladen, wobei ein Teil der gespei­cherten Energie in Funkenenergie umgesetzt wird. Der größere Teil der gespeicherten Energie fließt jedoch in den Speicherkondensator 2 zurück und lädt diesen wieder mit umgekehrter Polarität auf. Die Rückschwingsperrdiode 4 verhindert dabei eine erneute Entladung, die einen unerwünschten, negativen Stromimpuls, der einen erheb­lichen Verschleiß der Elektrode bewirkt, verursachen würde. Sobald während der Entladung die Spannung des Speicherkondensators 2 kleiner wird als die der Gleich­spannungsquelle 1 beginnt ein sinusförmiger Ladestrom über die Umladediode 5, die Induktivität der Primärwick­lung 7a und die Gleichspannungsquelle 1 zu fließen. Der Sperrwandlertransformator 7 ist dabei so gepolt, daß in dieser Phase die Rekuperationsdiode 6 in Sperrichtung beansprucht wird. Die Gleichspannungsquelle 1 erzeugt bei diesem Umladevorgang einen Energieüberschuß, der gleich dem Strom-Zeitintegral des Ladestromes mal der Spannung der Gleichspannungsquelle 1 ist. Die Schaltung ist dabei so zu dimensionieren, daß dieser Energieüber­schuß gerade so groß ist, daß er die Funkenenergie und die Verluste in der Schaltung selber deckt. Ist nun bei einer Entladung die verbrauchte Energie kleiner als der vorgesehene Energieüberschuß, so wird der Speicherkonden­sator 2 nur soweit aufgeladen, bis die in der Sekundär­wicklung 7b selbstinduzierte Spannung größer wird als die der Gleichspannungsquelle 1. Ab diesem Moment be­ginnt nämlich die Rekuperationsdiode 6 zu leiten, womit die überschüssige, in der Induktivität des Sperrwandler­transformators 7 gespeicherte Energie in die Gleichspan­nungsquelle 1 zurückgeführt wird. Der Sperrwandlertrans­formator 7 wird vorzugsweise mit Ferritkernen und Luft­spalt aufgebaut, wobei die bekannte bifilare Wickeltech­nik angewendet werden sollte, um trotz Luftspalt eine gute magnetische Kopplung zu erreichen. Nimmt man an, die Spannung der Gleichspannungsquelle 1 sei E und das Übersetzungsverhältnis der Primärwicklung 7a zur Sekun­därwicklung 7b sei n, so wird die Ladespannung des Speicherkondensators 2 = E ^. (1+n). Die Umladediode 5 muß für eine Spannung von mindestens E ^. 2n dimensio­niert werden und die Rekuperationsdiode 6 für eine solche von E ^. (2+2/n). Für einen kleinen Generator sind typische Werte für E = 100V und für N = 2, was eine Ladespannung von 300V ergibt und die Verwendung von effizienten 400V-Dioden ermöglicht. Für höhere Entlade­ströme und bei höheren Werten der Zuleitungsinduktivität 10 kann man gezwungen sein, mit Ladespannungen von 500V bis über 1000V zu arbeiten.

[0018] Generell erkennt man aus Fig. 1, daß für die Laderege­lung des Kondensators keine gesteuerten Bauelemente be­nötigt werden. Vielmehr sind rein passive Bauelemente wie Dioden und Induktivitäten eines Sperrwandlers aus­ reichend. Damit der Energieüberschuß des Speicherkon­densators nach der Funkenentladung zur Gleichspannungs­quelle 1 zurückgeleitet werden kann, darf das Schalt­element 3 dann erst erneut leitend geschaltet werden, wenn der Umladestrom durch die Umladediode 5 im wesent­lichen abgeklungen ist. Das Schaltelement 3 wird durch einen (nicht dargestellten) Impulsgenerator angesteuert, dessen maximale Schaltfrequenz so limitiert ist, daß sichergestellt ist, daß eine neue Entladung erst dann ausgelöst werden kann (leitend werden des Schaltelementes 3), wenn die Rekuperation abgeschlossen ist. Die Impuls­dauer dieser Ansteuerimpulse für das Schaltelement 3 ist dabei so lang gewählt, daß das Schaltelement 3 erst dann sperrt, wenn der Entladestrom sicher abgeklungen ist.

[0019] In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Er­findung dargestellt. Das Wirkungsprinzip ist dem der Fig. 1 sehr ähnlich. Im Unterschied zur Schaltung der Fig. 1 sind zwei Speicherkondensatoren 2a und 2b und zwei Entladekreise 3a, 4a, 9a; 3b, 4b, 9b vorgesehen. Im einzelnen ist diese Schaltung wie folgt aufgebaut. Parallel zur Gleichspannungsquelle 1 liegt eine Reihen­schaltung aus einem ersten Speicherkondensator 2a und einer in Sperrichtung geschalteten Rekuperationsdiode 6b. Ebenso liegt parallel zur Gleichspannungsquelle 1 eine weitere Reihenschaltung aus einer Rekuperations­diode 6a und einem zweiten Speicherkondensator 2b (der Buchstabe a bezeichnet wirkungsmäßig einen Kreis, wäh­rend der Buchstabe b wirkungsmäßig den zweiten Kreis bezeichnet). Die beiden gemeinsamen Verbindungspunkte zwischen dem Speicherkondensator 2a und der Rekupera­tionsdiode 6b einerseits und dem Speicherkondensator 2b und der Rekuperationsdiode 6a andererseits sind durch eine Reihenschaltung aus der Umladediode 5 und einer Induktivität 8 miteinander verbunden.

[0020] Parallel zum ersten Speicherkondensator 2a liegt eine Reihenschaltung bestehend aus einer Primärwicklung 9a eines Trenntransformators 9, einer Rückschwingsperr­diode 4a und eines Schaltelementes 3a. In entsprechen­der Weise liegt parallel zum zweiten Speicherkonden­sator 2b eine Reihenschaltung aus einer weiteren Primär­wicklung des Trenntransformators 9, einer Rückschwing­sperrdiode 4b und einem Schaltelement 3b. Eine Sekundär­wicklung 9c des Trenntransformators ist mit den beiden Primärwicklungen 9a und 9b magnetisch gekoppelt. Die beiden Anschlüsse der Primärwicklung 9c stellen die Generatoranschlüsse G+ und G- dar, an die dann die Funkenstrecke 11 (mit ihrer Zuleitungsinduktivität 10) gemäß Fig. 1 anzuschließen ist.

[0021] Die Arbeitsweise dieser Schaltung ist wie folgt: Die Ladereglerschaltung mit den Bauelementen 5 bis 8 ar­beitet hier mit einem festen Energieüberschuß, der sich pro Speicherkondensator 2a, 2b aus der halben Spannung der Gleichspannungsquelle 1 mal dem Ladestromzeitinte­gral ergibt.

[0022] Beim Einschalten der Gleichspannungsquelle 1 werden beide Speicherkondensatoren 2a und 2b über die Umlade­diode 5 und die Induktivität 8 auf ungefähr die Spannung der Gleichspannungsquelle 1 aufgeladen. Der Entladevor­gang funktioniert im wesentlichen gleich wie bei der ersten Schaltung mit dem Unterschied, daß die zwei Schaltelemente 3a und 3b synchron und gleichzeitig durchgeschaltet werden und damit die Entladung der ihnen zugeordneten Speicherkondensatoren 2a bzw. 2b auslösen, wobei dann die zwei Impulsströme dieser Kondensatoren über die zwei Primärwicklungen 9a und 9b auf den Gene­ratorausgang ausgekoppelt werden. Dies hat den Vorteil, daß die Gleichspannungsquelle 1 nicht galvanisch vom Netz getrennt werden muß. Auch kann man die Spannung am Generatorausgang (G+, G-) mit dem Übersetzungsverhält­nis des Trenntransformators anpassen. Der nachfolgende Ladevorgang der Speicherkondensatoren 2a, 2b geschieht wieder über die Umladediode 5 und die Induktivität 8, solange, bis die Speicherkondensatoren 2a und 2b auf die Spannung der Gleichspannungsquelle 1 aufgeladen sind. Sodann werden die Rekuperationsdioden 6a und 6b leitend und der in der Induktivität 8 verbliebene Ener­gieüberschuß wird in die Gleichspannungsquelle 1 re­kuperiert. Die Umladezeit kann über die Größe der Induk­tivität 8 gewählt werden. Diese Umladezeit wird einer­seits möglichst kurz gewählt (z.B. 5 bis 10 µs), um hohe Impulsfrequenzen zu ermöglichen, andererseits wird aber bei zu kurzer Umladezeit der Ladestrom unnötig hoch und die Zeit zu kurz, um die Schaltelemente 3a und 3b in den nichtleitenden Zustand zu bringen. Dasselbe gilt übrigens analog für die Schaltung nach Fig. 1.

[0023] Als Schaltelemente 3, 3a und 3b eignen sich für beide Schaltungen der heute verfügbaren, schnellen elektro­nischen Schalter vom Bipolartransistor über MOSFET, GTO, SCR bis in Extremfällen zum Wasserstoffthyratron. Rück­wärtssperrende Schalter, wie z.B. Thyristoren, können dabei auch die Funktion der Rückschwingsperrdioden 4, 4a, 4b übernehmen, was zu einer weiteren Vereinfachung der Schaltungen beiträgt.

[0024] Auch bei der Schaltung der Fig. 2 ergibt sich im übrigen die Wicklungspolarität der Wicklungen 9a, 9b und 9c aus den abgebildeten Punkten.

Ansprüche

1. Impulsgenerator zur funkenerosiven Metallbearbei­tung mit
- einer Gleichspannungsquelle (1),
- mindestens einer Ladereglerschaltung (5-8), die die Aufladung mindestens eines Speicher­kondensators (2, 2a, 2b) steuert und mit min­destens einem Schaltelement (3, 3a, 3b), das den mindestens einen Speicherkondensator mit einer Funkenstrecke (11) verbindet, wobei im Stromkreis zwischen dem Speicherkondensator und der Funkenstrecke eine Rückschwingsperr­diode (4, 4a, 4b) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladereglerschaltung nur ungesteuerte Bau­elemente (5-8) enthält und so dimensioniert ist, daß der Speicherkondensator (2, 2a, 2b) mit Energie­überschuß aufgeladen wird,
daß der nach der Umladung des Speicherkondensators (2, 2a, 2b) über die eine Umladediode (5) noch vor­handene Energieüberschuß über mindestens eine Re­kuperationsdiode (6, 6a, 6b) in die Gleichspannungs­quelle zurückgeleitet wird und
daß das Schaltelement (3, 3a, 3b) erst nach Ab­klingen des Entladestromes nichtleitend geschaltet wird.

2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Speicherkondensator (2) einer­seits an einem Pol (+) der Gleichspannungsquelle (1) angeschlossen ist und andererseits über eine Umladediode (5) und eine Primärwicklung (7a) eines Sperrwandlertransformators (7) am anderen Pol (-) der Gleichspannungsquelle (1) angeschlossen ist und daß die Sekundärwicklung (7b) des Sperrwandler­transformators (7) über die Rekuperationsdiode (6) so an die Gleichspannungsquelle (1) ange­schlossen ist, daß die Rekuperationsdiode (6) leitend wird, wenn die selbstinduzierte Spannung in der Sekundärwicklung (7b) die Spannung der Gleichspannungsquelle (1) übersteigt, wobei die Ladespannung des Speicherkondensators (2) durch die Gleichspannungsquelle (1) und das Übersetzungs­verhältnis des Sperrwandlertransformators (7) fest­gelegt ist.

3. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein erster Speicherkondensator (2b) einerseits an einem ersten Pol (-) der Gleich­spannungsquelle (1) und andererseits über eine erste Rekuperationsdiode (6a) an den zweiten Pol (+) der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, daß ein zweiter Speicherkondensator (2a) einerseits an den zweiten Pol (+) der Gleichspannungsquelle und andererseits über eine zweite Rekuperations­diode (6b) an den ersten Pol (-) der Gleichspan­nungsquelle angeschlossen ist, daß die Speicher­kondensatoren (2a, 2b) synchron bzw. im Gleichtakt über je eine Primärwicklung (9a, 9b) eines Trenn­transformators (9), je eine Rückschwingsperrdiode (4a, 4b) und je ein Schaltelement (3a, 3b) über die Funkenstrecke (11) entladen werden und daß die Speicherkondensatoren (2a, 2b) über eine Umlade­diode (5) und eine Induktivität (8), welche die den Speisungspolen abgewandten Seiten der Speicherkon­densatoren (2a, 2b) verbinden, wieder aufgeladen werden, bis die Rekuperationsdioden (6a, 6b) lei­tend werden, wobei die Ladespannung der Speicher­kondensatoren (2a, 2b) durch die Spannungsquelle (1) bestimmt ist.

Zeichnung